Chemical weathering of silicate rock consumes atmospheric CO2 and supplies the oceans with cations, thereby controlling both seawater chemistry and climate. The rate of CO2 consumption is closely linked to the rate of CO2 outgassing from the planetary interior, providing a negative feedback loop essential to maintaining an equable climate on Earth. Reconstruction of past global temperatures indicates that a pronounced episode of global cooling began ~50 million years ago, coincident with the collision of India and Asia, and the subsequent exhumation of the Himalayas and Tibet. This has drawn attention to the possible links between exhumation, erosion, changes in silicate weathering rates, and climate. However, many of the present-day weathering processes operating on the continents remain debated and poorly constrained, hampering our interpretations of marine geochemical archives and past climatic shifts. To constrain the controls on silicate weathering, this thesis investigates the lithium (Li) isotopic composition of river waters, suspended sediments and bed load sediments in the Alaknanda river basin, forming the headwaters of the Ganges. Due to the large fractionation of Li isotopes in the Earth’s surface environment, Li is sensitive to small changes in silicate weathering processes. As a consequence of the pronounced gradients in climate (rainfall and temperature) and erosion across the basin, the river waters show large variations in their Li isotopic composition (δ7Li), ranging from +7.4 to +35.4‰, covering much of the observed global variation. This allows a detailed investigation of the controls on Li isotope fractionation, and by extension silicate weathering. The Li isotopic composition is modelled using a one-dimensional reactive transport model. The model incorporates the continuous input of Li from rock dissolution, removal due to secondary mineral formation, and hydrology along subsurface flow paths. Modelling shows that the Li isotopic variations can be described by two dimensionless variables; (1) the Damköhler number, ND, which relates the silicate dissolution rate to the fluid transit time, and (2) the net partition coefficient of Li during weathering, kp, describing the partitioning of Li between secondary clay minerals and water, which is primarily controlled by the stoichiometry of the weathering reactions. The derived values of the controlling parameters ND and kp, are investigated over a range of climatic conditions and on a seasonal basis, shedding light onto variations in the silicate weathering cycle. In a kinetically limited weathering regime such as the Himalayan Mountains, both climate and erosion exert critical controls the weathering intensity (the fraction of eroded rock which is dissolved) and the weathering progression (which minerals that are being weathered), and consequently the fractionation of Li isotopes and silicate weathering in general. Modelling of the Li isotopic composition provides an independent estimate of the parameters which control silicate weathering. These estimates are then used to constrain variables such as subsurface fluid flux, silicate dissolution rates, fluid transit times and the fraction of rock which is weathered to form secondary clay minerals. The simple one-dimensional reactive transport model therefore provides a powerful tool to investigate the minimum controls on silicate weathering on the continents.

Ce manuscrit présente les premiers résultats d'études élémentaires et isotopiques du Zn, du Sr et du Pb, réalisées dans les principaux types d'échantillons liés aux gaz volcaniques (gaz, sublimés, eaux thermales, roches), ainsi que deux nouvelles méthodologies d'échantillonnage des émanations volcaniques. Les variations isotopiques du Zn observées au Merapi suggèrent que les processus de changement de phase (fluides/solides) peuvent provoquer des fractionnements isotopiques significatifs des éléments trace métalliques. L'étude couplée Sr/Pb réalisée à Vulcano indique que les compositions en éléments trace métalliques des fumerolles et des eaux thermales sont influencées par les sources naturelles et anthropiques. Ce travail a aussi permis la mise au point de nouvelles méthodologies d'échantillonnage et d'analyse des gaz et des panaches volcaniques, permettant d'accéder à la composition chimique complète de ces manifestations gazeuses de manière simple et efficace.

L'étude des perturbations géologiques du cycle du carbone permet d'améliorer la compréhension du cycle moderne du carbone et de mieux appréhender les effets des perturbations de la teneur en CO2 atmosphérique. En particulier, les crises géologiques fournissent un objet d'étude permettant de mieux connaître les capacités de réactions de l'environnement en situation de stress. Nous avons étudié la crise de la limite Trias‐Jurassique (TJ) selon une approche combinée entre modélisation et étude multi‐traceur centrée sur les isotopes du carbone de la matière organique et des carbonates. La limite TJ est caractérisée dans les coupes téthysiennes par la succession de deux excursions négatives de la composition isotopique du carbone organique. La première est associée à une extinction de masse et une crise de la production carbonatée. Nous montrons grâce au modèle GEOCLIM que la mise en place de la Province Magmatique de l'Atlantique Central (CAMP) a pu engendrer la crise de la production carbonatée en prenant en compte les observations selon lesquelles cette mise en place s'est faite sous forme de pulses intenses (<400 ans). L'émission de carbone mantellique léger (<‐20‰), si son existence est confirmée, permet d'expliquer cette première excursion isotopique. L'analyse des isotopes du carbone et de l'azote de coupes anglaises et autrichiennes a permis de caractériser les conséquences locales des perturbations globales de la transition du Trias vers le Jurassique (mise en place de la CAMP et variations du niveau marin) et les difficultés de récupération de la pompe biologique dans des bassins perturbés par une forte production primaire procaryote. La composition isotopique du bore (δ11B) des carbonates fournit un outil supplémentaire pour de telles études car elle permet de reconstituer le pH océanique. Cependant, les disparités analytiques entre laboratoire induisent une grande confusion dans l'utilisation de cet outil. Nous proposons ici une méthode d'injection facilitant l'analyse de ces isotopes sur MC‐ICP‐MS et l'appliquons à l'étude de carbonates du Jurassique moyen pour mieux comprendre les causes et conséquence de la crise de la sédimentation carbonatée qui a alors lieu. Nous restons cependant limités dans nos conclusions car le pH déduit des valeurs du δ11B des carbonates dépend également des valeurs du δ11B océanique. Nous avons initié la reconstruction de cette courbe en mesurant les valeurs du δ11B de halites ayant enregistré les valeurs de l'eau de mer. Nous montrons que des variations notables existent, cohérentes avec les paramètres de la géodynamique. Les différentes approches que nous proposons dans ce travail mettent en évidence l'intérêt des approches multi‐traceurs et multidisciplinaires et ouvrent la voie à de nouvelles considérations sur les contrôles de la pCO2 atmosphérique et de la chimie océanique.

O estágio pós-colisional Neoproterozoico no sul do Brasil é marcado por intenso magmatismo granítico controlado por zonas de cisalhamento transcorrentes, relacionadas ao Cinturão de Cisalhamento Sul-brasileiro (CCSb). O CCSb controlou a ascensão e o posicionamento de magmas crustais e mantélicos. Neste contexto, O Granito Corre-mar (GCM) representa uma pequena intrusão posicionado em uma zona de baixa deformação localizada entre dois importantes segmentos do CCSb: as Zonas de Cisalhamento Major Gercino e Itajaí- Perimbó. O GCM possui um diagnóstico par de foliações subevetical que forma um par S-C sinistral, presente em todas as intrusões, independentemente do tamanho, e foi posicionado em um sistema conjugado, onde um cisalhamento sinistral de direção NNE, e uma extensão na direção NW-SE, gerando espaço ao longo da direção NE. Deformação de estado sólido associada ao cisalhamento NNE é atestado por microestruturas como recristalização de feldspatos e caudas de recristalização assimétricas. A abertura é atribuída à dinâmica regional destral transcorrente das zonas de cisalhamento Major Gercino e Itajaí-Perimbó, sendo que o posicionamento foi controlado essencialmente pela componente de estensão NW-SE. A idade de cristalização em zircão U-Pb LAMC- ICP-MS do GCM de 615 ± 4 Ma, muito próxima a outros granitos regionais, como as idades de 611 Ma do Granito Serra dos Macacos (GSM) e de 620 Ma do Granito Rio Pequeno (GRP) sugere que esses três corpos graníticos são sincrônicos. As fortes feições de deformação presents no GCM, diferentemente dos granitos Neoproterozoicos próximos, demonstra que o espaço, mais do que o tempo, pode explicar a diferença dos padrões estruturais identificados no GCM. Assinaturas geoquímicas e de isótopos de Sr-Nd, como caráter levemente peraluminoso, altos conteúdos de K, altas razões de ETRL/ETRP, moderados conteúdos de Rb, Nb, Zr e ETR em relação à SiO2, juntamente com baixas razões de 86Sr/87Sri e valores de εNdt fortemente negativos, indicam que o GCM é derivado de fontes crustais antigas, possivelmente relacionadas à rochas quartzofeldspáticas ortognáissicas Paleoproterozoicas do Complexo Camboriú. A relaçãodas das idades das heranças Arqueanas a Paleoproterozoicas do GCM com as idades dos eventos de migmatização identificados no Complexo Camboriú, além da relação das idades de cristalização de ~615-611 Ma dos granitos crustais da área com o último evento de migmatização em 640-610, reforça a conexão genética entre eles. As idades TDM paleoproterozoicas, as assinaturas geoquímicas e isotópicas, a cristalização e as idades de heranças do GCM e do GSM atestam que eles representam pulsos graníticos contemporâneos e comagmáticos, com uma conexão genética com o evento de migmatização Neoproterozoico do Complexo Camboriú. / The Neoproterozoic post-collisional stage in south Brazil is marked by intense granitic magmatism controlled by transcurrent shear zones all related to the Southern Brazilian Shear Belt (SBSB). The SBSB controls the ascent and emplacement of crustal and mantle magmas. In such scenario, the Corre-mar Granite (CMG), represent a small intrusion emplaced in a low strain zone located between two important segments of the SBSB: the Major Gercino and Itajaí-Perimbó Shear Zones. The CMG have a diagnostic subvertical foliation pair that form a sinistral S-C pair, present in all intrusions regardless of their size, and was emplaced within a conjugate system, where sinistral NNE shearing and NW-SE extension were both active, generating space along the NE direction. Solid state deformation associated to the NNE shearing is attested by microstructures as feldspar recrystallization and asymmetric recrystallization tails. The opening is attributed to the regional dextral transcurrent dynamics of the Major Gercino and Itajaí-Perimbó shear zones and magma emplacement was essentially conditioned by the NW extension component. The zircon U-Pb LA-MC-ICP-MS crystallization age of CMG at 615 ± 4 Ma, very close to other regional granites, as the 611 Ma Serra dos Macacos (SMG) and 620 Ma Rio Pequeno Granite (RPG) points these three granitic bodies as quite synchronous. The strong deformation features present in the CMG, as opposed to the other nearby Neoproterozoic granites (RPG and SMG) demonstrate that space, rather than time, must be called upon to explain the difference in the structural patterns identified in the CMG. Geochemical and Sr-Nd isotopic signatures, as slight peraluminous character, high-K contents, high LREE/HREE ratios, moderate Rb, Nb, Zr, and REE contents to regular SiO2, together with low 86Sr/87Sri and the strongly negative εNdt values indicate that the CMG is derived from old crustal sources possibly related to the Paleoproterozoic Camboriú Complex quartz-feldspatic orto-gneissic rocks. The match of the Archean to Paleoproterozoic inheritance ages of the CMG with the migmatization event ages identified in the Camboriú Complex and moreover the match of the crystallization ages of ~615-611 Ma of the crustalderived granites with the last migmatization event at 640-610 Ma reinforces the genetic link between them. The Paleoproterozoic TDM ages, the geochemical and isotopic signatures, the crystallization and inheritance ages resemblance of the CMG and the SMG attest that they represent comagmatic and contemporaneous granitic pulses with a genetic connection with the Neoproterozoic migmatization event in the Camboriu Complex.

O estágio pós-colisional Neoproterozoico no sul do Brasil é marcado por intenso magmatismo granítico controlado por zonas de cisalhamento transcorrentes, relacionadas ao Cinturão de Cisalhamento Sul-brasileiro (CCSb). O CCSb controlou a ascensão e o posicionamento de magmas crustais e mantélicos. Neste contexto, O Granito Corre-mar (GCM) representa uma pequena intrusão posicionado em uma zona de baixa deformação localizada entre dois importantes segmentos do CCSb: as Zonas de Cisalhamento Major Gercino e Itajaí- Perimbó. O GCM possui um diagnóstico par de foliações subevetical que forma um par S-C sinistral, presente em todas as intrusões, independentemente do tamanho, e foi posicionado em um sistema conjugado, onde um cisalhamento sinistral de direção NNE, e uma extensão na direção NW-SE, gerando espaço ao longo da direção NE. Deformação de estado sólido associada ao cisalhamento NNE é atestado por microestruturas como recristalização de feldspatos e caudas de recristalização assimétricas. A abertura é atribuída à dinâmica regional destral transcorrente das zonas de cisalhamento Major Gercino e Itajaí-Perimbó, sendo que o posicionamento foi controlado essencialmente pela componente de estensão NW-SE. A idade de cristalização em zircão U-Pb LAMC- ICP-MS do GCM de 615 ± 4 Ma, muito próxima a outros granitos regionais, como as idades de 611 Ma do Granito Serra dos Macacos (GSM) e de 620 Ma do Granito Rio Pequeno (GRP) sugere que esses três corpos graníticos são sincrônicos. As fortes feições de deformação presents no GCM, diferentemente dos granitos Neoproterozoicos próximos, demonstra que o espaço, mais do que o tempo, pode explicar a diferença dos padrões estruturais identificados no GCM. Assinaturas geoquímicas e de isótopos de Sr-Nd, como caráter levemente peraluminoso, altos conteúdos de K, altas razões de ETRL/ETRP, moderados conteúdos de Rb, Nb, Zr e ETR em relação à SiO2, juntamente com baixas razões de 86Sr/87Sri e valores de εNdt fortemente negativos, indicam que o GCM é derivado de fontes crustais antigas, possivelmente relacionadas à rochas quartzofeldspáticas ortognáissicas Paleoproterozoicas do Complexo Camboriú. A relaçãodas das idades das heranças Arqueanas a Paleoproterozoicas do GCM com as idades dos eventos de migmatização identificados no Complexo Camboriú, além da relação das idades de cristalização de ~615-611 Ma dos granitos crustais da área com o último evento de migmatização em 640-610, reforça a conexão genética entre eles. As idades TDM paleoproterozoicas, as assinaturas geoquímicas e isotópicas, a cristalização e as idades de heranças do GCM e do GSM atestam que eles representam pulsos graníticos contemporâneos e comagmáticos, com uma conexão genética com o evento de migmatização Neoproterozoico do Complexo Camboriú. / The Neoproterozoic post-collisional stage in south Brazil is marked by intense granitic magmatism controlled by transcurrent shear zones all related to the Southern Brazilian Shear Belt (SBSB). The SBSB controls the ascent and emplacement of crustal and mantle magmas. In such scenario, the Corre-mar Granite (CMG), represent a small intrusion emplaced in a low strain zone located between two important segments of the SBSB: the Major Gercino and Itajaí-Perimbó Shear Zones. The CMG have a diagnostic subvertical foliation pair that form a sinistral S-C pair, present in all intrusions regardless of their size, and was emplaced within a conjugate system, where sinistral NNE shearing and NW-SE extension were both active, generating space along the NE direction. Solid state deformation associated to the NNE shearing is attested by microstructures as feldspar recrystallization and asymmetric recrystallization tails. The opening is attributed to the regional dextral transcurrent dynamics of the Major Gercino and Itajaí-Perimbó shear zones and magma emplacement was essentially conditioned by the NW extension component. The zircon U-Pb LA-MC-ICP-MS crystallization age of CMG at 615 ± 4 Ma, very close to other regional granites, as the 611 Ma Serra dos Macacos (SMG) and 620 Ma Rio Pequeno Granite (RPG) points these three granitic bodies as quite synchronous. The strong deformation features present in the CMG, as opposed to the other nearby Neoproterozoic granites (RPG and SMG) demonstrate that space, rather than time, must be called upon to explain the difference in the structural patterns identified in the CMG. Geochemical and Sr-Nd isotopic signatures, as slight peraluminous character, high-K contents, high LREE/HREE ratios, moderate Rb, Nb, Zr, and REE contents to regular SiO2, together with low 86Sr/87Sri and the strongly negative εNdt values indicate that the CMG is derived from old crustal sources possibly related to the Paleoproterozoic Camboriú Complex quartz-feldspatic orto-gneissic rocks. The match of the Archean to Paleoproterozoic inheritance ages of the CMG with the migmatization event ages identified in the Camboriú Complex and moreover the match of the crystallization ages of ~615-611 Ma of the crustalderived granites with the last migmatization event at 640-610 Ma reinforces the genetic link between them. The Paleoproterozoic TDM ages, the geochemical and isotopic signatures, the crystallization and inheritance ages resemblance of the CMG and the SMG attest that they represent comagmatic and contemporaneous granitic pulses with a genetic connection with the Neoproterozoic migmatization event in the Camboriu Complex.

O estágio pós-colisional Neoproterozoico no sul do Brasil é marcado por intenso magmatismo granítico controlado por zonas de cisalhamento transcorrentes, relacionadas ao Cinturão de Cisalhamento Sul-brasileiro (CCSb). O CCSb controlou a ascensão e o posicionamento de magmas crustais e mantélicos. Neste contexto, O Granito Corre-mar (GCM) representa uma pequena intrusão posicionado em uma zona de baixa deformação localizada entre dois importantes segmentos do CCSb: as Zonas de Cisalhamento Major Gercino e Itajaí- Perimbó. O GCM possui um diagnóstico par de foliações subevetical que forma um par S-C sinistral, presente em todas as intrusões, independentemente do tamanho, e foi posicionado em um sistema conjugado, onde um cisalhamento sinistral de direção NNE, e uma extensão na direção NW-SE, gerando espaço ao longo da direção NE. Deformação de estado sólido associada ao cisalhamento NNE é atestado por microestruturas como recristalização de feldspatos e caudas de recristalização assimétricas. A abertura é atribuída à dinâmica regional destral transcorrente das zonas de cisalhamento Major Gercino e Itajaí-Perimbó, sendo que o posicionamento foi controlado essencialmente pela componente de estensão NW-SE. A idade de cristalização em zircão U-Pb LAMC- ICP-MS do GCM de 615 ± 4 Ma, muito próxima a outros granitos regionais, como as idades de 611 Ma do Granito Serra dos Macacos (GSM) e de 620 Ma do Granito Rio Pequeno (GRP) sugere que esses três corpos graníticos são sincrônicos. As fortes feições de deformação presents no GCM, diferentemente dos granitos Neoproterozoicos próximos, demonstra que o espaço, mais do que o tempo, pode explicar a diferença dos padrões estruturais identificados no GCM. Assinaturas geoquímicas e de isótopos de Sr-Nd, como caráter levemente peraluminoso, altos conteúdos de K, altas razões de ETRL/ETRP, moderados conteúdos de Rb, Nb, Zr e ETR em relação à SiO2, juntamente com baixas razões de 86Sr/87Sri e valores de εNdt fortemente negativos, indicam que o GCM é derivado de fontes crustais antigas, possivelmente relacionadas à rochas quartzofeldspáticas ortognáissicas Paleoproterozoicas do Complexo Camboriú. A relaçãodas das idades das heranças Arqueanas a Paleoproterozoicas do GCM com as idades dos eventos de migmatização identificados no Complexo Camboriú, além da relação das idades de cristalização de ~615-611 Ma dos granitos crustais da área com o último evento de migmatização em 640-610, reforça a conexão genética entre eles. As idades TDM paleoproterozoicas, as assinaturas geoquímicas e isotópicas, a cristalização e as idades de heranças do GCM e do GSM atestam que eles representam pulsos graníticos contemporâneos e comagmáticos, com uma conexão genética com o evento de migmatização Neoproterozoico do Complexo Camboriú. / The Neoproterozoic post-collisional stage in south Brazil is marked by intense granitic magmatism controlled by transcurrent shear zones all related to the Southern Brazilian Shear Belt (SBSB). The SBSB controls the ascent and emplacement of crustal and mantle magmas. In such scenario, the Corre-mar Granite (CMG), represent a small intrusion emplaced in a low strain zone located between two important segments of the SBSB: the Major Gercino and Itajaí-Perimbó Shear Zones. The CMG have a diagnostic subvertical foliation pair that form a sinistral S-C pair, present in all intrusions regardless of their size, and was emplaced within a conjugate system, where sinistral NNE shearing and NW-SE extension were both active, generating space along the NE direction. Solid state deformation associated to the NNE shearing is attested by microstructures as feldspar recrystallization and asymmetric recrystallization tails. The opening is attributed to the regional dextral transcurrent dynamics of the Major Gercino and Itajaí-Perimbó shear zones and magma emplacement was essentially conditioned by the NW extension component. The zircon U-Pb LA-MC-ICP-MS crystallization age of CMG at 615 ± 4 Ma, very close to other regional granites, as the 611 Ma Serra dos Macacos (SMG) and 620 Ma Rio Pequeno Granite (RPG) points these three granitic bodies as quite synchronous. The strong deformation features present in the CMG, as opposed to the other nearby Neoproterozoic granites (RPG and SMG) demonstrate that space, rather than time, must be called upon to explain the difference in the structural patterns identified in the CMG. Geochemical and Sr-Nd isotopic signatures, as slight peraluminous character, high-K contents, high LREE/HREE ratios, moderate Rb, Nb, Zr, and REE contents to regular SiO2, together with low 86Sr/87Sri and the strongly negative εNdt values indicate that the CMG is derived from old crustal sources possibly related to the Paleoproterozoic Camboriú Complex quartz-feldspatic orto-gneissic rocks. The match of the Archean to Paleoproterozoic inheritance ages of the CMG with the migmatization event ages identified in the Camboriú Complex and moreover the match of the crystallization ages of ~615-611 Ma of the crustalderived granites with the last migmatization event at 640-610 Ma reinforces the genetic link between them. The Paleoproterozoic TDM ages, the geochemical and isotopic signatures, the crystallization and inheritance ages resemblance of the CMG and the SMG attest that they represent comagmatic and contemporaneous granitic pulses with a genetic connection with the Neoproterozoic migmatization event in the Camboriu Complex.

Sulphur stable isotope ratios are useful tracers in geological and environmental studies. They can for example be used to trace the origin of atmospheric sulphate aerosols, because anthropogenic sulphate and natural sulphate have distinguishable δ34S-values (δ34S value of approximately +0 to +8 ‰ for anthropogenic and approximately +12 to +19 ‰ for natural). This is useful for climate modelling research, due to the net cooling effect of aerosol sulphate. In the present study a Nu Plasma II (Nu Instruments) multi collector inductively coupled plasma mass spectrometer (MC-ICP-MS) method for measuring stable sulphur isotope ratios in low sulphur content samples, such as sulphate aerosols, was developed. The method was then applied to a sulphate aerosol sample collected in the Maldives.Most of the measurements were performed at high resolution, due to the interferences on 33S. Heated spray chamber coupled to a desolvating membrane, Aridus II (Cetac), increased the sensitivity and reduced interferences notably compared to wet plasma mode. Aridus II gave more stable measurements than DSN-100 (Nu Instruments). Determinations of δ34S for IAEA S1, S3, and S4 were accurate and the determined δ34S-value of the CIT #39 seawater standard (21.05 ± 0.36 ‰, 2SD, n=42) was comparable with published data. In general, Si internal standardization correction increased precision ~2.5 times compared to non-corrected values. The δ34S-value for the sulphate aerosol sample was determined to 3.82 ±0.41 ‰ (2SD, n=40). Repeatability of ~62 nmol introduced sulphur (2 μg/mL) was generally 0.15 ‰ (2SD, n=5) for the SW and 0.19 ‰ (2SD, n=5) for the sulphate aerosol sample. Comparable results for the SW (20.61±0.09 ‰, 2SD, n=4) and sulphate aersosol sample (3.77 ± 0.08 ‰, 2SD, n=8) were obtained with the method applied to Neptune Plus (Thermo Fischer Scientific) MC-ICP-MS in a different laboratory. The determined aerosol sulphate δ34S-value indicated that the sampled sulphate aerosol originated from anthropogenic sources.

Au cours de ces dernières décennies, des études ont étés menées pour identifier plusieurs traceurs des matériaux du cycle du combustible nucléaire, dans le cadre de la lutte contre la prolifération nucléaire. Ces matériaux sont généralement collectés lors d’inspections dans des installations nucléaires, ou saisis lors de contrôles de trafics illicites. Les informations fournies par ces traceurs sont parcellaires et ne permettent pas de déterminer avec exactitude la provenance et l’historique industriel de ces matériaux.Le but de ce travail de thèse est de démontrer le potentiel de l’utilisation des isotopes du molybdène pour le traçage des matériaux du cycle du combustible nucléaire. Le choix s’est porté sur le molybdène car en raison de la similarité de leurs propriétés chimiques, le molybdène et l’uranium sont étroitement associés dans les minerais d’uranium et tout au long de la chaîne de purification de l’uranium. L’étude s’est focalisée sur une partie de l’amont du cycle du combustible, depuis l’extraction des minerais d’uranium jusqu’à la production des concentrés miniers d’uranium : divers procédés physiques et chimiques sont appliqués, à la fois pour purifier l’uranium et abaisser la concentration en molybdène.Au cours de cette étude, une nouvelle méthode de séparation du molybdène a été développée pour caractériser sa composition isotopique dans des minerais, minéraux et concentrés miniers d’uranium. La variabilité des compositions isotopiques du molybdène dans un gisement d’uranium est principalement due aux mécanismes d’adsorption et/ou de précipitation du molybdène. Les gisements magmatiques et sédimentaires ont des compositions isotopiques différentes, ce qui permet ainsi leurs distinctions. Les concentrés miniers d’uranium produits à partir de ces deux types de gisements ont des compositions isotopiques similaires aux minerais. Ces résultats soulignent ainsi le potentiel des isotopes du molybdène comme traceur des origines des concentrés miniers d’uranium. Cependant, un fractionnement des isotopes du molybdène a été établi lors de la production des concentrés miniers d’uranium pour deux usines au Niger. Les procédés de purification de l’uranium tels que la lixiviation, l’extraction par solvant et la précipitation ont été reproduits en laboratoire sur des échantillons réels pour expliquer le fractionnement isotopique du molybdène lors de la production des concentrés miniers. Au cours de ces procédés, le fractionnement peut être positif (lixiviation), négatif (extraction par solvant, précipitation à l’eau oxygénée) ou nul (précipitation à l’ammoniaque). Dans le cas des échantillons du Niger, la somme de ces procédés est négative, dans le sens des données expérimentales que nous avons obtenues, démontrant ainsi également le potentiel de l’utilisation des isotopes du molybdène comme traceur des procédés de transformations des matériaux du cycle du combustible nucléaire. / Nuclear forensics aims at determining the age, provenance as well as industrial or storage history of uranium ores and uranium ore concentrates that are part of the nuclear fuel cycle. Several potential tracers have already been identified for this purpose. However, these tracers are not providing always unambiguous information. This study is focused on establishing Mo isotopes as a new tracer of uranium ore provenance and of ore processing for its application in nuclear forensics. Molybdenum and uranium share a number of common geochemical properties. In the nuclear fuel cycle, molybdenum is an impurity that is difficult to separate during uranium extraction and purification processes, while its concentration is required to be lower than some specification limits. We focused this study on the first part of the nuclear fuel cycle, from the uranium ores extraction to the production of uranium ore concentrates.We developed an enhanced separation method for Mo from a uranium-rich matrix (uranium ores, uranium minerals, uranium ore concentrates) in order to analyze the mass fractionation induced by processes typical of the nuclear fuel cycle. Molybdenum isotopic compositions in uranium ores depend of adsorption and precipitation processes. The δ98Mo values of sedimentary uranium ores is shifted to negative values relative to magmatic ores. This provides a means of distinguishing these types of uranium ores. Uranium ores concentrates produced from both uranium ore natures (magmatic and sedimentary) have Mo isotope compositions similar to the uranium ores. These results suggest that molybdenum isotopes have a strong potential of as a tracer for identifying the origin of the uranium ore concentrates. However, Mo isotopes fractionations were established during the production of uranium ore concentrates in the both Niger mills. We reproduced in laboratory the lixiviation, solvent extraction and precipitation processes to explain these observations. The Mo isotopes fractionation is positive for the lixiviation process, negative for the solvent extraction and precipitation with hydrogen peroxide, and null for ammonia precipitation. In the case of the Niger samples, the sum of these processes is negative and agrees with our experimental data. Mo isotopes have a strong potential as a tracer for identifying the origin and transformation of uranium in the nuclear fuel cycle, in the framework of nuclear forensics.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des études de "faisabilité" du stockage des déchets nucléaires en formations géologiques profondes. Elle s'intègre au programme de recherche conduit par l'agence française pour la gestion des déchets nucléaires (ANDRA) sur le site expérimental Meuse/Haute-Marne de type "argile", situé dans les formations sédimentaires Mésozoïques faiblement perméables de l'Est du bassin parisien. L'étude a pour objet la caractérisation de la migration des radionucléides naturels au sein de la formation argileuse Callovo-Oxfordienne cible et de ses encaissants carbonatés Oxfordien et Bathonien, afin d'estimer les propriétés de confinement à long terme de cette série sédimentaire. Elle repose sur l'analyse de haute précision des déséquilibres radioactifs au sein des familles naturelles de l'uranium et du thorium. L'intérêt de faire appel aux déséquilibres U-Th réside dans le fait qu'ils sont susceptibles, d'une part, de mettre en évidence et de caractériser les processus contrôlant la mise en solution et la migration in situ des radionucléides et, d'autre part, de fournir des indications temporelles sur les processus et perturbations physico-géochimiques auxquelles la formation géologique a été soumise sur des échelles de temps variables, selon les isotopes utilisés, mais pouvant atteindre jusqu'à deux millions d'années environ, via le déséquilibre 234U/238U. Les objectifs initiaux de l'étude étaient: i) de déterminer en particulier l'état d'équilibre -ou de déséquilibre- radioactif entre l'uranium-238 et son descendant l'uranium-234 (T1/2 (234U) = 245250 a) dans les formations profondes au sein desquelles le laboratoire expérimental de l'ANDRA est en cours d'implantation; ii) de caractériser, le cas échéant, les processus responsables des déséquilibres radioactifs observés; et iii) d'en préciser les implications chronologiques en ce qui a trait à la stabilité chimique de ces formations géologiques. Compte tenu de ces objectifs, la précision et la justesse analytique des mesures des déséquilibres radioactifs (234U/238U) sont apparues comme la clé de la réussite d'une telle entreprise. Une grande partie des travaux a donc été consacrée à la mise au point de l'analyse des déséquilibres radioactifs à l'aide d'un spectromètre de masse à multi-collection et source plasma (MC-ICP-MS). In fine, une reproductibilité analytique de l'ordre de 1‰ (2 s) pour la détermination du rapport 234U/238U sur échantillons géologiques a été obtenue. Haute précision et justesse analytique nous ont ainsi permis de démontrer un état d'équilibre radioactif 234U/238U dans les argilites Callovo-Oxfordiennes. Ce résultat indique l'immobilité de l'uranium dans la formation cible et, par suite, atteste d'un milieu chimiquement inactif et clos, du moins au cours de la période actuelle, pour ce qui concerne l'uranium et, par extension, les actinides naturels. Ce résultat est fondamental au regard de la problématique d'enfouissement des déchets radioactifs car il procure une confirmation in situ des capacités de confinement de la couche argileuse cible, dans les conditions physico-chimiques actuelles. A contrario, des déséquilibres (234U/238U) ont été systématiquement observés au niveau de zones soumises à des processus de pression-dissolution (stylolites) dans les formations carbonatées encaissantes de l'Oxfordien et du Bathonien. Ces déséquilibres témoignent d'une remobilisation discrète de l'uranium au cours des derniers deux millions d'années et donc de processus actifs de transport de matière au sein de ces formations. La répartition isotopique de l'uranium telle qu'elle a été révélée, par un sous-échantillonnage systématique au niveau des surfaces de pression-dissolution et par la réalisation d'analyses sériées perpendiculairement à un joint stylolitique, a permis de mettre en évidence une relocalisation de l'uranium depuis la surface stylolitique vers la matrice carbonatée de part et d'autre du stylolite. Bien que soumise à des transferts de matière, une zone stylolitisée fonctionnerait en toute vraisemblance en système fermé vis-à-vis de l'uranium. Ce résultat est surprenant tant ces formations profondes, fortement compactées et peu perméables, ne semblaient pas pouvoir être sujettes à des transferts de matière significatifs à l'échelle de temps des déséquilibres U-Th. Bien qu'il soit pour l'instant difficile de conclure de façon univoque à ce sujet, il est probable que ce phénomène traduit une stylolitisation encore active, ou tout du moins, une réactivation du phénomène au cours des deux derniers millions d'années.

Les potentiels de nouveaux moyens d’investigation en sciences de l’environnement, tel que la géochimie des isotopes stables du Cu et du Zn et l’étude de la spéciation des éléments en trace métalliques (ETM) par titrage acidimétrique sont évalués dans le cadre de trois cas d’études, faisant intervenir des matériaux de matrices et de concentrations en ETM variables. Afin de mettre en évidence de très subtiles variations des compositions isotopiques du Cu et du Zn dans les matériaux particulaires variablement pollués, une attention particulière à été voué à la mise au point des méthodes de séparation chimique et d’analyse par MC-ICP-MS. La méthodologie analytique a été développée afin d’exploiter tout les avantages techniques offerts par le spectromètre de masse à l’ULB. Différents modes d’introduction (plasma humide vs plasma sec (Aridus/DSN), d’acquisition des mesures (mode statique ou dynamique) de correction du biais de masse (dopage au Cu, au Zn et au Ga; correction SSBM, SSBC et EEN)ont été évaluées, pour leurs effets sur la précision et la reproductibilité des mesures. D’autres travaux ont permis de quantifier les effets des interférences spectrales et non spectrales par les éléments de la matrice (Ti, Cr, Co,Fe, Ba, Si, Na, Mg et Ca) et par le rapport dopant/analyte en vue de comprendre les sources d’inexactitudes des mesures isotopiques et d’y remédier. Les données isotopiques acquises sur des minerais, sur des (plaques de) dépôts atmosphériques (usine Pb-Zn Metaleurop de Noyelles-Godault), sur des sédiments et des matières en suspension (estuaire de l’Escaut et mer du Nord), révèlent des variations significatives des compositions isotopiques du cuivre et du zinc. Dans l’estuaire de l’Escaut, les variations temporelles (carotte non perturbée, enregistrant la sédimentation sur 30 ans) et spatiales (matières en suspension échantillonnées sur 100 km, selon le profil de salinité) sont caractérisées par des signatures isotopiques en Zn anticorrélées à celle du Cu. Les données peuvent permettre de distinguer le fond géochimique naturel (le « réservoir naturel »), les pollutions diffuses (le « réservoir anthropique commun »- intégrant de multiples sources de contamination en provenance du bassin versant) et certaines pollutions ponctuelles associées à la métallurgie du Zn. Alors que les procédés utilisés en métallurgie sont eux,capable de produire des signatures isotopiques très fractionnées en Zn, ni la diagenèse précoce dans les sédiments, ni les gradients physicochimiques développés lors du mélange des eaux continentales et marines ne sont capables d’affecter significativement la signature isotopique du Cu et du Zn en phase particulaire. Dans de tels milieux, les signatures isotopiques en Cu et Zn (ainsi que celles en Pb) semblent n’être contrôlées que par le mélange conservatif entre le « réservoir naturel » et le « réservoir anthropique commun ». Les données en elles-mêmes constituent la seule base de données isotopiques en Cu, Zn, Pb dans des matériaux particulaires anthropisés estuariens et marins jamais produite à ce jour. Elles permettent de prédire que la signature isotopique en Cu du « réservoir naturel » devrait être légèrement plus enrichie en isotopes lourds que celle du réservoir « anthropique commun » (par analogie au Zn). Si la géochimie isotopique du Cu et du Zn a le potentiel de distinguer différentes sources de pollution, l’évaluation des risques liés à ces pollutions doit tenir compte des formes chimiques des ETM, typiquement mises en évidences par les méthodes d’extraction sélectives (séquentielles, dont le protocole BCR). La méthode alternative proposée pour l’étude de la spéciation, plus versatile (capable de mettre en évidence des phases non prédéfinies et applicable à une variété de matrices plus large) est capable de surmonter plusieurs limitations (dont les problèmes de sélectivité liées au mauvais contrôle de l’acidité du milieu réactionnel) caractéristiques des méthodes traditionnelles. Appliquée à des sédiments marins/estuariens et des sols, la méthode de titrage acidimétrique s’est révélée capable de quantifier les proportions relatives des phases acido-solubles (principal problème des méthodes d’extraction sélectives), ce qui permet d’établir univoquement la spéciation des éléments qui leurs sont associés, d’évaluer la réactivité des ETM vis-à-vis du pH, mais aussi d’évaluer la sélectivité des protocoles d’extraction séquentielle « BCR » et « Tessier ». La méthode de titrage acidimétrique apporte également des informations importantes sur la géochimie des éléments majeurs dans l’estuaire de l’Escaut et met en évidence les particularités minéralogiques des sols pollués en comparaison aux sédiments. Les études de cas démontrent que ces nouvelles techniques ont des applications dans le domaine de la géochimie de l’environnement, mais peuvent également être vouées, sur le moyen/long terme à une utilisation sortant du cadre des sciences exactes. En effet, l’identification/ discrimination des sources de pollutions et l’évaluation des risques de remobilisation des polluants métalliques font partie des nombreuses questions posées par la société aux scientifiques de l’environnement.